Forschern ist es gelungen, aus Gummifäden künstliche Muskelfasern herzustellen und so den Weg zu ebnen, die Muskeln in eine Bluse einzunähen und der Trägerin neue Kraft zu verleihen.
„Ich weiß, es sieht nicht nach viel aus, aber es entspricht dem, was unsere eigenen Muskeln bewegen können“, sagt Anne Ladegaard Skov, Professorin an der DTU Chemical Engineering. Sie zeigt auf einen kleinen dünnen Gummidraht mit dem Buchstaben D am Ende, der auf und ab hüpft.
Auf das D folgen ein T und ein U, und zusammen mit dem Rest der Linie signalisieren die rockigen Universitätsinitialen, dass eine Bluse mit Superkräften in greifbarer Nähe sein könnte.
„Die Gummifäden bestehen aus Silikonelastomeren und es ist uns gelungen, sie in eine Form zu bringen, die einem Nähfaden ähnelt. Die Idee ist, sie zu bündeln, sodass wir die körpereigene Muskelstruktur nachahmen. Anschließend können wir das Bündel zu einem Stück verweben.“ Kleidung“, erklärt Skov.
Zusammen mit ihrem Forschungsteam hat sie den Silikonfaden mit einem Hohlraum entworfen, durch den eine leitfähige Flüssigkeit laufen kann. So wie das Gehirn ein elektrisches Signal an die Muskeln des Körpers sendet, um diese zu aktivieren, können die Forscher über die leitfähige Flüssigkeit Strom durch die künstlichen Muskelfasern schicken und diese zur Kontraktion bringen.
In diesem Fall können sie das 200-fache ihres eigenen Gewichts heben. Damit haben sie das Potenzial, Millionen von Menschen mit eingeschränkter Muskelfunktion das Leben zu erleichtern.
„Unser Ziel ist es, geschwächten Menschen das Tragen von fünf Kilo mehr zu ermöglichen, was in etwa einer halbvollen Einkaufstasche aus dem örtlichen Supermarkt entspricht. Das ist eine ganze Menge, und es gibt noch einige Dinge, die wir lösen müssen, bevor wir unser Ziel erreicht haben.“ “ sagt Skov.
Gelatine- und Strickmuster
Eine der Hauptaufgaben der Forscher besteht darin, ihr Material stärker zu machen. Silikon selbst ist zu zerbrechlich, weshalb die Forscher Muskelfasern herstellen wollen, bei denen das synthetische Silikon mit natürlichen Proteinen kombiniert wird.
„Durch die Zugabe von Proteinen, die sich beispielsweise um das Silikonelastomer winden, ahmen die künstlichen Muskeln noch mehr eine ursprüngliche Muskelstruktur nach, und das ist wichtig für die Kraft“, sagt Skov.
Ursprünglich war die Idee, dass die hinzugefügten Proteine aus Spinnenseide stammen würden, aber da das Warten auf das Material lange dauerte, begannen die Forscher, mit anderen Materialien zu experimentieren. Warum also nicht Gelatine, fragten sie sich. Und das war eine gute Frage, denn Gelatine erwies sich als überraschend wirksam.
„Wir haben herausgefunden, dass wir dafür sorgen können, dass sich die Gelatine unterschiedlich verhält, je nachdem, wie wir sie wärmebehandelt haben. Jetzt gehen wir tatsächlich davon aus, dass wir bald Muskelfasern mit Gelatine in 3D drucken können“, sagt Skov, der die Entdeckung als glücklichen Zufall bezeichnet. Vor allem, wenn man bedenkt, dass Gelatine praktisch kostenlos ist. Was jedoch eine kostspielige und langwierige Angelegenheit sein kann, ist die Entwicklung des Produktdesigns, das letztendlich seinen Weg in die Garderobe der Verbraucher findet.
„Ob Sie weben oder stricken, welche Muster Sie verwenden und mit welchem Stoff Sie die Muskelstrukturen kombinieren – alles hat Einfluss darauf, wie effektiv die künstlichen Muskeln werden“, erklärt Skov.
So haben Bücher über Web- und Strickmuster ihren Weg in ihr Bücherregal gefunden und zusammen mit dem Rest ihrer Forschungsgruppe werden Kombinationsmuster und Nähkonstruktionen auf der Suche nach dem optimalen Produktdesign intensiv untersucht.
„Genau wie im Inneren des Körpers hat auch die Art und Weise, wie Muskelstrukturen gebündelt sind, Einfluss darauf, wie sie sich bewegen. Wir versuchen, dieses Wissen in unser Lösungsdesign einfließen zu lassen. Es ist wichtig, den künstlichen Muskeln optimale Bewegungsfreiheit zu geben“, erklärt Skov.
Das Große im Kleinen
Die Fähigkeit, das Große im Kleinen zu sehen, sicherte Skovs Team kürzlich den ersten Platz auf der kalifornischen SPIE Smart Structures NDE-Konferenz – der größten ihrer Art in der Elastomerindustrie. Ein Teil der Anerkennung bezieht sich auf den enormen gesellschaftlichen Wert, den Forscher ihrer Arbeit zufolge haben können.
„Wir sehen die endgültige Lösung in einem ‚Stützanzug‘, der sich in erster Linie an ältere Menschen richtet, die durch die zusätzliche Kraft zu Hause besser zurechtkommen und weniger Haushaltshilfe benötigen. Aber wir sehen auch, dass die Lösung attraktiv sein wird.“ „Wir bringen mehr Frauen an Arbeitsplätze, an denen harte körperliche Arbeit sonst ein Hindernis darstellt“, sagt Skov.
Sie stellt sich vor, dass die endgültige Lösung eine Bluse sein wird, die an einen Neoprenanzug oder ein dickes Sportshirt erinnert. In den Ärmeln sorgen die künstlichen Muskeln dafür, dass die Arme beim Einschalten, beispielsweise über ein iPhone, nach unten und beim Ausschalten wieder nach oben gehen.
Allerdings können die Forscher nicht sagen, wie lange es dauern wird, bis die Bluse im Handel erhältlich ist. Das Ausprobieren neuer Ideen wird wahrscheinlich einige Zeit in Anspruch nehmen.
In Skovs Büro liegt zum Beispiel eine Tüte aus einem Reformhaus, gefüllt mit Kollagenpulver. Während die meisten Menschen wahrscheinlich ein Schönheitsprodukt sehen, das Falten reduzieren kann, sieht Skov ein Protein, das das Potenzial hat, ihrer Forschung neue Kraft zu verleihen.